为何使用std::memory_order_seq_cst时std::atomic读写结果不确定？

核心误区：混淆单线程程序顺序与线程间执行顺序 #

你对std::memory_order_seq_cst的理解存在偏差：它保证的是所有seq_cst原子操作在全局范围内形成一个单一的总执行顺序，同时保证单线程内的操作遵循程序顺序，但这并不意味着不同线程的操作会自动按你期望的先后执行。

你的代码中，主线程的load操作和子线程的store操作之间没有任何**happens-before（先行发生）**关系：

• 操作系统的线程调度是不确定的，主线程启动子线程后，可能立刻执行load（此时子线程还未运行，store没执行），也可能子线程先完成store后主线程才执行load。这就是输出不确定的根本原因，和内存连贯性无关。

为什么seq_cst没起到你预期的作用？ #

std::memory_order_seq_cst的全局总序特性，只保证：如果在这个总序里，子线程的store排在主线程的load之前，那么load一定能读到1234；反之则读到0。但它不会强制约束这两个操作的先后顺序——线程调度的随机性依然会导致两种结果都可能出现。

如何确保读到预期的1234？ #

要让主线程的load一定能看到子线程的store，需要建立明确的happens-before关系，比如：

1. 将load放在t.join()之后：

   std::atomic<int> data(0);
   
   void func() {
     data.store(1234, std::memory_order_seq_cst);
   }
   
   int main() {
     std::thread t(func);
     t.join(); // 等待子线程完成，确保store先行发生于后续的load
     int val = data.load(std::memory_order_seq_cst);
     std::cout << "value: " << val << std::endl;
     return 0;
   }
   

   join()操作会确保子线程的所有操作（包括store）先行发生于主线程中join()之后的所有操作，因此load必然读到1234。

2. 使用额外的原子同步标志：

   std::atomic<int> data(0);
   std::atomic<bool> ready(false);
   
   void func() {
     data.store(1234, std::memory_order_relaxed);
     ready.store(true, std::memory_order_seq_cst);
   }
   
   int main() {
     std::thread t(func);
     while (!ready.load(std::memory_order_seq_cst)) {} // 等待子线程完成store
     int val = data.load(std::memory_order_relaxed);
     std::cout << "value: " << val << std::endl;
     t.join();
     return 0;
   }
   

   这里ready的store和load建立了happens-before关系，确保data的store先行发生于data的load。

总结 #

• 单线程内的程序顺序是确定的，但不同线程的操作默认没有固定的执行顺序，需要显式同步机制（如join、原子变量的同步关系、互斥量等）来建立happens-before约束。
• std::memory_order_seq_cst保证全局总序，但不负责调度线程的执行顺序，它只是确保当操作的先后顺序被其他同步机制确定后，所有线程看到的操作顺序是一致的。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Benjamin Kim